La CFD regroupe différentes méthodes numériques permettant de modéliser les écoulements de fluides tels que liquides, gaz et autres substances complexes. Elle permet d’étudier des environnements spécifiques, comme les flux autour ou à l’intérieur d’un objet, en prenant en compte les interactions fluide-structure, le transfert de chaleur, la thermohydraulique, les écoulements laminaires, turbulents et réactifs, ainsi que d’autres phénomènes comme la microfluidique, les écoulements visqueux, les métaux liquides, les électrolytes, les écoulements diphasiques, les écoulements multiphasiques et l’aérodynamique.
Étudier et maîtriser les écoulements, les transferts thermiques et leurs cinétiques associées sont des atouts précieux pour une équipe de projet, que ce soit pour créer un nouveau processus, repenser un système existant ou chercher à l’optimiser.
Aujourd’hui, La CFD est indispensable pour l’optimisation des consommations énergétiques qui est plus que jamais nécessaire pour maîtriser les coûts.
Elles sont largement utilisées pour étudier le comportement des fluides, tels que l’air, l’eau ou les gaz, dans des systèmes physiques réels. Pourquoi la CFD est-elle un atout pour vos projets de R&D et d’innovation ? Parce qu’elle permet de :
Comprendre le comportement des fluides dans des systèmes complexes
Par exemple, elle peut aider à prédire la façon dont l’air circule dans un bâtiment, des salles de serveurs, des parkings à ventilation naturelle au sein d’un écoquartier, le refroidissement de cibles, ….
Évaluer la performance des systèmes
La simulation CFD peut être utilisée pour évaluer la performance de différents systèmes en fonction de leur conception, de leur taille ou de leur forme.
Par exemple, elle permet d’évaluer l’aérodynamique d’une voiture, la performance d’une turbine ou d’une éolienne, le frottement de l’air dans le boitier d’une montre…
Optimiser la conception des systèmes
Tester rapidement différentes conceptions de systèmes pour déterminer la meilleure configuration pour une application donnée.
Par exemple, elle peut aider à optimiser la conception d’une aile d’avion pour réduire la traînée, la conception d’une pompe pour améliorer son efficacité, couplage pompes et buses de vaporisation…
Réduire les coûts de développement et le time-to-market
Le prototypage numérique par la simulation CFD vient remplacer de longues et couteuses campagnes de tests, qui incluent généralement de nombreux cycles de manufacture de prototypes, test, interprétation et modification. Il est ainsi possible d’étudier de manière efficiente le design de canaux de refroidissement, l’optimisation de la performance d’échangeur thermique, l’optimisation de l’aérodynamique d’un véhicule ou des performances d’une pompe.
A chaque étape du projet, nos équipes vous accompagnent pour :
- Définir le modèle : spécifier les conditions aux limites et les propriétés du fluide et sélectionner le type de modèle approprié pour le système étudié.
- Modéliser la géométrie de manière à ce qu’elle soit représentative de la situation réelle. Cette étape peut impliquer la création d’un modèle 3D de la géométrie ou l’importation d’un modèle existant.
- Réaliser le maillage : c’est une étape importante pour la précision de la simulation. Le maillage doit être suffisamment fin pour capturer les détails importants de la géométrie, mais pas trop fin pour éviter des temps de calculs trop longs.
- Définir les conditions initiales et aux limites pour le modèle. Cela peut inclure la température, la pression, la vitesse, etc.
- Résoudre les équations : Les équations de la dynamique des fluides sont résolues numériquement pour déterminer les champs de vitesse, de pression, de température, etc.
- Analyser les résultats pour comprendre le comportement des fluides dans le système et prendre les décisions adéquates pour valider le design, les modes opératoires, prévoir et anticiper des opérations de maintenance…
- Vérifier et valider les résultats : pour s’assurer que la simulation est précise et représente la situation réelle et enrichir le modèle qui pourra ensuite être transféré à vos équipes. Cela peut inclure la comparaison des résultats de la simulation avec des données expérimentales.
Les principaux éléments analysés sont :
- Les flux de fluide : déplacement dans le système, les vitesses et les directions.
- La pression : pour comprendre comment le fluide interagit avec les surfaces solides du système.
- La température : pour comprendre comment la chaleur se propage dans le système tels que des boîtiers hébergeant des composants électroniques soumis à des conditions extrêmes
- Les turbulences : Les simulations CFD peuvent également aider à prévoir et à quantifier les effets de la turbulence, c’est-à-dire les mouvements chaotiques du fluide.
- Échanges de chaleur : Les simulations CFD peuvent être utilisées pour comprendre les échanges de chaleur entre le fluide et les surfaces solides du système.
Il existe de nombreux logiciels pour faire de la CFD (Computational Fluid Dynamics), chacun ayant ses avantages et ses inconvénients. Voici une liste non exhaustive de quelques-uns des logiciels les plus populaires :
ANSYS Fluent, Comsol Multiphysics, STAR-CCM+ :
Ce sont les logiciels, ou « solveurs » CFD commerciaux les plus utilisés pour la simulation de fluides, de chaleur et de transfert de masse par exemple pour une analyse de mouvements de particules. Leurs applications vont de l’aérodynamique des véhicules à la simulation de la combustion en passant par les effets électromagnétiques dans les fluides conducteurs (électrolytes, métaux liquides, sels fondus, etc.). Leur versatilité et leur praticité d’utilisation les rendent particulièrement adaptés à la mise en place efficiente d’études variées.
OpenFOAM, SU2 :
Ces outils sont les pendants « libres » des solveurs commerciaux décris au point précédent. Ces logiciels open-source demandent plus d’expérience pour être exploités efficacement, ils permettent de limiter les frais de licence, de modifier les solveurs et de réaliser des calculs plus lourds.
(Open)Modelica, Dymola, ECOSIM PRO :
Permettent une représentation 0D/1D d’une boucle ou d’un système complet comprenant, de manière non exhaustive, l’hydraulique (débits, pertes de charges), la thermique, les systèmes de contrôle, l’acoustique, etc.
Par exemple afin d’étudier les boucliers thermiques pour une installation de fusion, pour explorer les stratégies d’installations de réseaux d’air comprimé, pour optimiser la ventilation d’un bâtiment ou le fonctionnement d’un réacteur à métal liquide.
Exemples de projets :
Refroidissement de cibles de radionucléides :
Les applications médicales telles que les PET-scan requièrent la production de traceurs radioactifs à courte durée de vie, directement dans les centres hospitaliers. Ces radionucléides sont générés par de puissants accélérateurs de particules délivrant leur faisceau dans des cibles compactes, ces dernières devant encaisser leur forte charge thermique. Nos ingénieurs associent calculs CFD et simulations Monte Carlo pour obtenir la charge thermique et vous permettre des gains en termes de compacité, de perte de charge, d’énergie et d’efficacité de refroidissement.
Ventilation naturelle :
Alors que les préoccupations environnementales jouent un rôle toujours plus important dans le domaine du bâtiment, la CFD permet de proposer des alternatives écologiques à la traditionnelle ventilation mécanique. En optimisant leur ventilation, nos simulations vous permettent de vous assurer que vos parkings, open-space et autres espaces clos répondent aux normes les plus récentes et respectent les limites de concentration en polluants. Ainsi nous vous permettons de minimiser voire annuler vos besoins en ventilation mécanique. Nos ingénieurs sauront, par exemple, vous accompagner pour la validation de parkings à ventilation naturelle selon la directive SICC VA103-01.
Aérosols :
De source anthropique ou naturelle, les aérosols sont au cœur de nombreux enjeux : maitrise de la pollution aux particules fines dans l’industrie automobile, encrassage de systèmes de filtration ou manipulation de poudres dans l’industrie pharmaceutique. Grâce à leur expérience de la CFD multiphasique, les experts DAES vous accompagnerons tout le long de la conception et de la mise en place de vos solutions innovantes.
Écoulements diphasiques :
La prise en compte du phénomène d’ébullition dans le développement de produits soumis à de fortes charges thermiques est un procédé complexe et varié, pour lequel nos ingénieurs sauront vous accompagner grâce a des études analytiques, numériques (CFD, systèmes) et leurs applications concrètes pour vos produits.
Métaux liquides :
L’industrie nucléaire, et notamment ses évolutions les plus modernes (SMR, ADS, ITER), est pionnière dans l’utilisation de métaux liquides et sels fondus comme fluides caloporteurs et vecteurs de réaction. Les ingénieurs DAES s’appuient sur l’expérience reconnue de ses collaborateurs dans l’innovation nucléaire et les accélérateurs (ITER, CERN, ESS, IRSN, PSI) pour vous soutenir dans les thématiques complexes de ces fluides corrosifs, réactifs, et dont nous saurons modéliser les écoulements magnétohydrodynamiques complexes résultant de l’interaction de ces liquides conducteurs avec les champs magnétiques les environnant.
Hydrogène :
Sujet d’actualité s’il en est, la production d’hydrogène comme vecteur énergétique est un domaine à la physique complexe à l’intersection des écoulements diphasiques liquide-gaz, de l’électrochimie, de la thermique, et bien d’autres. Chez DAES, nos ingénieurs utilisent des outils tels que la CFD et la modélisation de systèmes complexes qui, alliés à leur expérience et leur culture scientifique, leur permettent de développer des solutions innovantes pour la production et l’utilisation d’hydrogène.
Turbomachines :
Stéréotype du génie hydraulique et composant de la quasi-totalité des équipements nécessitant la circulation d’un fluide, les turbomachines telles que les pompes et les turbines sont des systèmes complexes dont le fonctionnement dépend d’une multitude de phénomènes fluidiques, incluant la turbulence, la cavitation et la lubrification. Par l’usage de méthodes numériques de pointe, nos experts CFD vous accompagnerons dans le design et l’évaluation de vos systèmes hydrauliques et vous aiderons à en optimiser les performances.
